摘要：MEMS應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展要求開發(fā)硅材料之外其他新型材料的三維微細(xì)加工技術(shù)．為此，對(duì)金屬鈦這一新型MEMS體材料的三維加工進(jìn)行了探索．金屬鈦不僅延展性和導(dǎo)電性好，且斷裂韌度高、高低溫特性以及生物兼容性好．采用電感耦合等離子體源(inductivelycoupledpla蛐，I凹)技術(shù)對(duì)金屬鈦進(jìn)行三雛深刻蝕，采用不同刻蝕掩模、氯基刻蝕氣體，研究了線圈功率、平板功率和娼流量對(duì)刻蝕速率和選擇比等工藝參數(shù)的影響，并對(duì)砸深刻蝕參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到0．91州面n的刻蝕速率，可實(shí)現(xiàn)光滑表面和陡直側(cè)壁。

硅材料具有很高的強(qiáng)度和一系列優(yōu)秀的機(jī)械特性，在MEMS技術(shù)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并取得了巨大成功．但是硅和各種硅基化合物材料脆性大、延展性差、斷裂韌度(‰tou#m嘲)很低且抗沖擊能力差，隨著MEMS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和器件性能要求的提高，需要開發(fā)硅材料之外其他新型材料的三維微細(xì)加工技術(shù)n引．金屬鈦?zhàn)鳛橐环N金屬材料，不僅具有延展性和導(dǎo)電性好的優(yōu)點(diǎn)，并且還具備斷裂韌度高、高低溫特性好、耐腐蝕以及生物兼容好等一系列優(yōu)良特性．2003年起，美國(guó)MacDonald等使用PdE、ICP工藝對(duì)50．8rain

(2iII)金屬鈦方片(sheet)襯底進(jìn)行了深刻蝕，制作出垂直性好、高深寬比的微小齒輪及執(zhí)行器等一大批微小零件和結(jié)構(gòu)，鈦基MEMS加工技術(shù)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)．

本文采用電感耦合等離子體源(inductivelycoupledplasma，icP)技術(shù)對(duì)體材料金屬鈦進(jìn)行三維深刻蝕，可以加工出高深寬比的結(jié)構(gòu)，工藝簡(jiǎn)單，制作出的微結(jié)構(gòu)質(zhì)量高、內(nèi)應(yīng)力小，可以實(shí)現(xiàn)低成本、大批量生產(chǎn)．本研究采用了101．6mm(4i11)高純度金屬鈦圓片(純度為99．9％，厚度為500vm)襯底，避免了方片加工所必須的載片工序，解決了深刻蝕中裝載黏結(jié)劑的漏氣、分解和退化等問題，并且為器件版圖提供了更大的面積；更重要的是，由于101．6ram(4i11)圓片與主流半導(dǎo)體和硅微機(jī)械加工設(shè)備兼容，還可以方便地借用其他半導(dǎo)體和微機(jī)械加工技術(shù)，如雙面對(duì)準(zhǔn)和鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)更廣泛的MEMS應(yīng)用MJ．

1金屬鈦ICP深刻蝕實(shí)驗(yàn)

1．1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用英國(guó)STSMultiplexICP刻蝕機(jī)對(duì)金屬鈦進(jìn)行了深刻蝕實(shí)驗(yàn)，采用氯基的刻蝕氣體C12．鈦片為自行定制的純度為99．9％的101．6ram(4irI)化學(xué)純鈦圓片，厚度為500van．實(shí)驗(yàn)前對(duì)圓片進(jìn)行了單面化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，表面粗糙度低于1nnl．CMP拋光后的鈦片表面可達(dá)鏡面效果，如圖1所示．

針對(duì)不同的刻蝕掩模進(jìn)行了不同批次的實(shí)驗(yàn)．先使用AZ4620光刻膠作為掩模進(jìn)行了刻蝕實(shí)驗(yàn)，研究了線圈功率、平板功率、刻蝕氣體C12流量和腔體氣壓對(duì)工藝參數(shù)的影響，并對(duì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，初步確定了一組優(yōu)化工藝參數(shù)；然后在此基礎(chǔ)上，采用金屬鎳作為刻蝕掩模，研究不同工藝條件對(duì)刻蝕圖形表面粗糙度的影響，確定最終的優(yōu)化工藝條件．

1．2實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)的具體操作流程如下所述．

(1)鈦片清洗．先采用丙酮和異丙醇分別對(duì)鈦片超聲清洗5rain，清洗兩次后采用5％的稀鹽酸在40℃下對(duì)鈦片進(jìn)行去鉀離子清洗．

(2)掩模刻蝕．光刻制備AZ4620厚膠掩模，或光刻腐蝕制備金屬鎳掩模．

(3)鈦片ICP深刻蝕．調(diào)節(jié)不同線圈功率、平板功率、刻蝕氣體流量和腔體氣壓對(duì)鈦片進(jìn)行深刻蝕，觀察工藝條件對(duì)刻蝕圖形的影響．

2結(jié)果分析

2．1線圈功率的影響

線圈功率可控制等離子體密度，增大線圈功率，有助于C12的離子化和原子分裂，從而增大離子和原子團(tuán)的密度，使刻蝕速率增大，刻蝕選擇比也增大．圖2所示為不同線圈功率的影響，固定平板功率為100W，刻蝕氣體C12流量為30sccIII，腔體氣壓為3．99Pa(3lnT)(5C中的刻蝕選擇比都是對(duì)于AZ4620光刻膠的)．

刻蝕圖形的粗糙度會(huì)隨著線圈功率的增大而增大，過高時(shí)會(huì)引起微掩模現(xiàn)象．適當(dāng)降低線圈功率和Q2流量，可在保證刻蝕速率前提下有效抑制微掩模現(xiàn)象，如表1所示(固定平板功率為100W，腔體氣壓為3．99Pa)．

2．2q流量的影響

C12的影響一般以流量來衡量．增大C12流量，會(huì)使刻蝕速率增大，不同c12流量對(duì)刻蝕速率和刻蝕選擇比的影響如圖3所示(固定線圈功率為600W，平板功率為100W，腔體氣壓為3．99Pa)，為避免出現(xiàn)表l中的微掩模現(xiàn)象，c12流量為608ccnl時(shí)采用了500W線圈功率．

2．3平板功率的影響

平板功率可控制襯底表面離子能量，即對(duì)ICP刻蝕中物理轟擊作用影響較大；而金屬鈦ICP刻蝕主要以化學(xué)作用為主，故與線圈功率相比，平板功率對(duì)刻蝕速率的影響要小得多．增大平板功率會(huì)使刻蝕速率有一定提高，但當(dāng)反應(yīng)不再受限于襯底表面粒子能量的大小即物理轟擊的強(qiáng)弱，而是受限于化學(xué)作用的強(qiáng)弱時(shí)，速率將不再增大，如圖4所示(固定線圈功率為500w，刻蝕氣體Q2流量為60flCCITI，腔體氣壓為3．99Pa)．可見隨平板功率的增大，刻蝕速率先增大后減小，而由于物理轟擊作用的增強(qiáng)，刻蝕選擇比是降低的．

2．4刻蝕圖形粗糙度

綜合考慮線圈功率、平板功率和刻蝕氣體流量對(duì)工藝參數(shù)的影響．在較大的線圈功率(如400w或500w)、適中的平板功率和刻蝕氣體流量(如lOOw和60so哪c12流量)條件下，可以保證較快的刻蝕速率和較大的刻蝕選擇比．在此基礎(chǔ)上，筆者采用了單面CMP拋光的鈦片和金屬鎳掩模研究了工藝條件對(duì)刻蝕圖形表面粗糙度的影響．當(dāng)平板功率為100W、刻蝕氣體流量為608ccln、腔體氣壓為3．99Pa時(shí)，不同的線圈功率(500w和400W)刻蝕條件下得到的刻蝕圖形表面形貌SEM圖分別如圖5(a)和圖5(b)所示，具體工藝參數(shù)如表2所示．

可見500W線圈功率時(shí)刻蝕得到的底面底部顆粒多，粗糙度比較大，其底部顆粒圖片如圖6所示(線圈功率為500W，平板功率為100W，c12流量為60seem，腔體氣壓為3．99Pa)，而線圈功率為400w條件下底面則較光滑．?

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合上述分析，本文確定了一組優(yōu)化工藝參數(shù)：線圈功率為400W，平板功率為100W，C12流量為608c咖和腔體氣壓為3．99Pa．此條件下對(duì)應(yīng)O．91舢／min的刻蝕速率，可以得到表面光滑的刻蝕圖形．刻蝕圖形SEM照片如圖7所示．

4結(jié)語

采用不同刻蝕掩模——A2舶20和金屬Ni，對(duì)金屬鈦襯底進(jìn)行了ICP三維深刻蝕實(shí)驗(yàn)，研究了線圈功率、平板功率和C12流量對(duì)金屬鈦刻蝕速率、選擇比和刻蝕圖形粗糙度等的影響，并初步確定了一組金屬鈦深刻蝕參數(shù)：C12流量1008Cb"q'll，線圈功率400W，平板功率100W，壓強(qiáng)3．99Pa，取得了0．91州miIl的刻蝕速率，并可得到具有光滑表面的刻蝕圖形．

fqj